基于生態源地預測的生態安全格局構建及管控思考

楊立焜，石永洪，孫道成，張又天 (中規院(北京)規劃設計有限公司，北京 100044)

在黨的十八大報告中，優化國土空間開發格局首次被提升到國家戰略高度，其中三大戰略格局優化目標之一就是確定生態安全格局，并要求與城市生活格局、農業發展格局相均衡。中共中央、國務院于2019年5月出臺《關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》，對生態保護與國土開發協調的空間治理導向進行了明確，國土空間治理向“生態文明”新階段邁進。生態安全格局的構建主要耦合生態系統的組織結構、功能定位、組合分布，消解對生態系統不利的因素，形成結構完整、功能完備、分布連續的生態空間布局形態。因此，在國土空間規劃背景下構建生態安全格局對踐行生態空間保護、推進生態文明建設和保障國土空間永續發展意義重大，對于緩解生態保護與經濟發展之間的突出矛盾具有重要意義。生態安全格局研究是在景觀生態學的基礎上發展起來的，國內外已有大量學者開展生態格局的形成演變機制、構建優化、安全預測和調控管理等研究，取得了豐碩成果。

自20世紀90年代以來，國內外研究人員在生態學、環境學理論下，通過對土地利用、模型計算、景觀生態格局與區域生態安全的研究，對生態安全與景觀生態學、計量地理學進行了交叉融合的探討，經歷了以“生態功能界定—評價體系構建—生態機理挖掘”為主的發展歷程，目前生態安全格局優化和構建已形成“生態源地-阻力面-生態廊道”的模式。其中，生態源地識別是構建生態安全格局的重要環節，包括基于用地類型識別方法和綜合指標體系評價方法兩類。然而，基于“碳達峰、碳中和”的目標，面向氣候變化的復雜性，現有研究忽視未來氣候變化對生態源地影響，難以直接支撐面向未來的生態保護目標制定和空間管控，需要整合現狀與未來構建綜合生態安全格局，以促進生態系統服務的協同，維持生態安全。該研究以唐山為例，重點面向氣候變化情況下的生物棲息地預測，結合現有保護地、預測生態源地，整合多種生態系統服務重要性，基于最小累積阻力模型識別生態廊道的走向，構建生態網絡；通過上述研究，融合生態廊道和區域生態肌理，構建生態安全格局，提出生態保護的空間管控要求，為唐山市國土空間規劃提供支撐。

1 資料與方法

唐山市南臨渤海，北依燕山，與京津毗鄰，是華北通往東北的戰略要地，是京津冀城市群的區域中心城市，是環渤海經濟帶上的重要城市。唐山市陸域總面積為13 634 km，地勢北高南低，北部多山，盆地相間，中部為山前平原，南部為濱海平原(圖1)。全市資源富饒，具有山水林田湖草礦鹽田等要素。

圖1 唐山市地理位置(a)和土地利用類型(b)Fig.1 Geographical location (a) and land use type (b) of Tangshan City

該研究所用的數據年份為2020年，其中土地利用數據是第三次全國國土調查數據，數字高程數據(DEM)來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)，降水量數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)，蒸散量數據是由美國地質調查局提供的MODIS16A產品(https://www.usgs.gov/)，土壤組分、厚度數據來自世界土壤數據庫(HWSD v1.2， http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey/)，城市熱島效應源數據來自Landsat 8(通過地理空間數據云下載)，歸一化植被指數(NDVI)數據來自中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn/)。

該研究的方法主要有3部分，即生態源地預測、生態廊道提取、生態安全格局構建。其中本底肌理識別是通過生態本底分析，識別生物生境分布特征；生態廊道提取包括阻力面組成與構建、廊道識別提取。

生態源地預測。生態源地是生態空間中對區域生態安全有重要意義的區域，是具有提供生態系統服務、阻礙生態系統退化及具有輻射功能的特殊斑塊，綜合生態系統服務重要性中生物多樣性保護重要性極重要區，結合自然保護地中的自然保護區，選取作為現狀生態源地。最大熵(MaxEnt)模型在生態源地預測研究中進行應用，該方法基于生態位理論模型，由氣候、地形等多因子組成，Elith等利用不同生態模型分別進行預測模擬，其中使用不同地區的200多種物種的生物棲息地分布進行了分析，結果表明MaxEnt模型更加準確，并且接近實際分布。MaxEnt模型在生態源地的原理是將生態空間與地理空間進行關聯，根據物種現有棲息地分布和棲息地環境影響因子，使用最大熵理論模擬物種的生態需求，通過計算獲得范圍內物種棲息地分布概率，實現現狀和預測生物棲息地在空間上的分布。MaxEnt模型首先對研究區內空間進行有限數量的網格劃分，并對各個網格的物種棲息概率進行賦值，公式如下：

(1)

生態廊道提取。根據唐山市地理位置、氣候條件，結合已有研究成果，主要選取水源涵養、水土保持、固碳能力、生境質量、熱島效應5類生態系統服務功能建立評價模型，對5類生態系統服務進行重要性評價，最后采用多因子平均加權求和模型建立阻力面模型。

(1)水源涵養。水源涵養根據水量平衡原理構建水量平衡方程，方程中各收入項、支出項和蓄水變量隨地區不同而不同，水源的主要來源是降水，而輸出的方向主要是地表徑流和蒸發等。采用水量平衡方程計算陸地水源涵養功能，計算公式如下：

(2)

式中,TQ為總水源涵養量(m)；為類生態系統多年平均降水量(mm)；為類生態系統多年平均地表徑流量(mm)；ET為蒸散發量(mm)；為類生態系統面積(km)；為研究區第類生態系統類型；為生態系統類型的數量。其中，=×，為地表徑流系數，不同生態系統類型的地表徑流系數不同，一般來說，植被覆蓋越高的地方，地表徑流系數越小。

(2)水土保持。采用RUSLE方程的水土保持服務模型估算生態系統水土保持功能。計算公式如下：

SC=Ap-Ar=×××-×××××

(3)

式中,SC為土壤保持量[t/(hm·a)]；Ap為潛在土壤侵蝕量[t/(hm·a)]；Ar為實際土壤侵蝕量[t/(hm·a)]。為降水侵蝕力因子[(MJ·mm)/(hm·h·a)]；為土壤可蝕性因子(t·hm·h)/(hm·MJ·mm)；為坡長因子；為坡度因子；為植被覆蓋因子；為水土保持措施因子。

(3)固碳能力。陸地生態系統通過對大氣CO的吸收并轉化為自身生物量的方式，實現碳固定與碳封存，從而維持碳循環平衡，起到調節全球氣候的作用。生態系統碳儲存由地上生物量(樹干、枝和葉、灌叢、草本)、地下生物量(植物根系)、地表枯枝落葉、土壤有機碳構成。土地利用變化是引起陸地生態系統格局和質量變化的主要驅動力，從而影響生態系統的固碳服務能力。InVEST 固碳模型能夠針對不同土地利用類型的地上物質、地下物質、枯枝落葉和土壤有機碳量化評估總固碳能力，從而實現碳平衡視角下的陸地生態系統優化管理和決策支撐。具體計算如下:

C_stored=C_above+C_below+C_soil+C_dead

(4)

式中，C_stored為總碳儲量(t/hm)；C_above為地上物質碳儲量(t/hm)；C_below為地下物質碳儲量(t/hm)；C_soil為土壤碳儲量(t/hm)；C_dead為枯枝落葉碳儲量(t/hm)。各部分碳儲量參數根據文獻資料獲得。

(4)生境質量。生境維持重要性評價常用來反映區域生物多樣性，因此使用InVEST 模型評估生境維持重要性，公式如下：

(5)

式中,為生境類型b中a柵格的生境質量指數；為生境類型b的生境適宜度，取值為[0，1]；為半飽和常數，取最大生境退化度的1/2；為歸一化常量，通常設為2.5。

(5)熱島效應。該研究用來計算熱島效應的方法為單窗算法，該方式通過使用大氣平均作用溫度、大氣透射率和地表比輻射率這3個參數，對城市熱島進行反演，計算公式如下：

={×(1--)+[×(1-+)++]×-×}

(6)

式中，為實際地溫；為亮度溫度；為等效氣溫；和為系數，分別為-67355 351和0458 606；和為變量，使用=和=(1-)[1+(1-)]可計算獲得。

生態安全格局構建。以現狀和預測的生態源地作為生態空間的基準，其中生態斑塊之間仍缺乏必要的空間聯系，生態廊道對生態源地連接有積極的影響，是生態源地斑塊間物種、信息和能量流通的主要通道。因此該研究采用最小累積阻力模型計算生態廊道分布，在此基礎上將生態源地與生態廊道空間疊合形成生態網絡。依據水源涵養、水土保持、固碳能力、生境質量、熱島效應5類生態系統服務功能結果，并在此基礎上設等權值的生態阻力系數，利用最小累積阻力模型(minimal cumulative resistance，MCR)分析生物從生態關鍵區擴散到空間某點的最小累積阻力，其計算公式如下：

式中,MCR為從源擴散到空間范圍內某一點的累積阻力值；表示物種從源到景觀單元的空間距離；表示物種穿越景觀單元的阻力值；反映MCR與景觀生態過程的正相關函數關系。生態節點一般為廊道的相交或轉折點，用來連接相鄰生態源地，將關鍵生態廊道所通過的阻力最大的地方作為生態節點首先區位，通過源地-生態廊道-生態節點的模式構建完整的生態安全格局。

2 結果與分析

通過生態本底分析，唐山市域體現出山陸海自然交互、林水鹽系統平衡，決定了不同生物生境分布?；谏鷳B生境空間分布和生態肌理分析，形成北部燕山山區、平原淡水區、平原咸水區、海洋灘涂區四大生態空間分區，以河流為鏈條，串聯四大生態空間分區(圖2)。其中，北部山區以林地和草地為主，平原淡水區以林地和耕地為主，平原咸水區以濕地、鹽田和耕地為主，南部灘涂海洋區以灘涂濕地、坑塘和海洋為主。

圖2 唐山市生態肌理分析Fig.2 Ecological mechanism analysis of Tangshan City

基于生態肌理分布，唐山市形成北部燕山屏障區、中部林田互養區、濱海城?；ト趨^、南部灘涂海洋區四大生態空間分區，以河流為鏈條，串聯四大生態空間分區(圖3)。

圖3 唐山市生態空間分區Fig.3 Ecological spatial zoning of Tangshan City

氣候數據選擇來自WorldClim數據庫，結合我國2030年碳達峰、2060年碳中和的要求，為提高預測準確性，選取2050年的rcp26場景進行模擬。利用ArcGIS軟件提取唐山市具有較強的生物學意義、可反映溫度與降水的特點及季節性變化特征的生物氣候因子，包括月平均降水量、月平均最高及最低氣溫等氣候指標數據。將現狀自然保護地及生物多樣性保護重要性分析結果作為現狀生物棲息地，并作為物種分布源點，結合篩選后的現狀和未來氣象預測數據導入MaxEnt模型進行計算，將模擬所得的概率結果數據轉為柵格格式并進行重分類，根據適生區值的大小，將潛在分布區等比例劃分為低、較低、一般、較高、高5個等級(圖4)。

根據潛在分布區分布圖，增加的適生區主要集中于北部山區、山前丘陵區和延灤河區域，新增生態源點9處，作為生態保護建設重點空間；主要喪失區域位于曹妃甸延線，受填海及大量工業廠區遷入影響，生態適生性下降，作為生態修復建設重點空間。將現狀16處生態源地與9處預測生態源地作為生態網絡輸入數據。

通過對水源涵養、水土保持、固碳能力、生境質量、熱島效應5類生態系統服務功能確定權重和空間疊加分析，水源涵養、水土保持生態服務功能使用《生態保護紅線劃定指南》方法進行分級，分為極重要、重要(賦值為5、3)；固碳能力、生境質量、熱島效應采用自然斷點法將重要性分為高、較高、中等、較低、低5個評價等級(賦值為5、4、3、2、1)，結果見圖5。

從空間分布(圖5)看，唐山市水源涵養極重要區主要分布在北部燕山區域和沿河湖水庫區域，包括清東陵國家森林公園、鷺峰山省級森林公園、喜峰口風景名勝區、青山關風景名勝區，以及上官水庫水源地、潘家口水庫等大型湖泊水庫水面等。水土保持極重要區分布相對集中在北部燕山區域，主要在鷺峰山省級森林公園、喜峰口風景名勝區、青山關風景名勝區。固碳釋氧能力高區主要集中分布在鷺峰山省級森林公園、喜峰口風景名勝區、青山關風景名勝區以及北部山區公益林區。生境質量高區和熱島效應低區分布相對集中，主要在北部山區和南部沿海灘涂海域。

圖4 唐山市現狀和預測生物棲息地、適生性概率分布Fig.4 Current and predicted biological habitats and habitat suitability distribution in Tangshan City

通過等權值方法，計算得到生態累積阻力面，結果如圖6所示。由圖6可知，位于北部燕山山區的源地面積較大，且該區域屬于低阻力區，源地間連通性條件好，具有重要的生態價值；位于南部平原區，陸地植被覆蓋較好，但破碎化嚴重，阻力較大。

在現狀和預測的25個生態源基礎上，利用最小累積阻力模型計算生態源地節點與目標節點之間的景觀阻力來確定最短路徑和最小成本路徑，節點之間兩兩生成廊道，即為潛在的生態廊道。結合考慮重復廊道，根據重疊個數進行賦值并且進行分級(圖7)，重疊次數越多，等級和概率越高，代表該生態廊道存在的價值和意義越大。

結合唐山市現狀生態環境與未來發展需求，綜合考慮區域綜合交通和河流水面，將等級和概率較高的生態廊道進行提取，形成穩定的網絡結構(圖8)，對提升區域生態連通性具有重要意義。一級生態廊道由主干河流水面組成，結合水源涵養重要性，以保障水源涵養生物多樣性、生態景觀的生態功能為主，其生態修復建設主要內容為依托現狀河流水系，把控制堤線或藍線以外50～200 m區域作為生態綠帶，以保護河流兩側生態環境，提升河流兩側景觀風貌。二級生態廊道由鐵路和高速等區域交通廊道組成，以保障生物多樣性、生態景觀生態功能為主，其生態修復建設主要內容是在鐵路沿線兩側50～100 m、高速公路沿線兩側50～100 m構建區域交通廊道，以提升區域交通線兩側生態景觀。

圖5 生態系統服務功能評價結果空間分布Fig.5 Spatial distribution of ecosystem service function evaluation result

生態系統服務功能之間存在著復雜的權衡與協同關系，一種生態系統服務的變化會引起其他服務的變化。在國土空間生態安全格局構建中，簡單疊加多種生態系統服務識別的生態源地無法兼顧多重生態保護目標。面向不同生態保護目標疊加多種生態系統服務功能，可以促進生態系統服務的協同，實現生態效益最大化。將唐山市生態肌理、生態源地及生態廊道空間整合，獲得唐山市生態安全格局(圖9)。從圖9可以看出，生態功能重要區和源地集中分布在唐山北部燕山區域，形成區域生態屏障，能保障多重生態系統服務的供給，但糧食生產服務的供給能力相對較差。通過生態廊道將中部農林區、海灣生態帶進行串聯，形成整合的生態安全格局結果。

結合唐山市生態空間格局、生態要素分布和生態修復與國土整治需求，以及北部燕山生態屏障區、中部農林生態屏障區和南部灘涂海洋區空間要求，具體生態保護管控要求如下：北部燕山生態屏障區主要由自然保護地、生態保護極重要區、生態保護重要區、礦山修復區組成，其生態功能以保護保育為主，生態修復為輔；中部農林生態屏障區主要由生態保護重要區、生態廊道建設區、采礦修復區組成，其生態功能以生態修復、生態提質為主；南部灘涂海洋區主要由自然保護地、生態保護極重要區、生態保護重要區、岸線修復區組成，其生態功能以保護保育、生態修復為主。

3 結論

該研究以唐山市為例，提出了基于氣候變化下的重要生態源地識別，整合多種生態服務功能評價結果，構建區域生態安全格局。研究結果表明，針對我國“碳達峰、碳中和”目標，結合氣候變化情景下生態源地變化，利用最小累積阻力模型，識別了唐山市生態源地、生態廊道，構成由生態肌理—生態源地—生態廊道組成的生態安全格局，形成區域生態網絡體系，構建生態安全格局，有效提升生態系統之間的連通性，促進生態物質和能量的流動。整合多種生態服務功能評價，并應用于阻力面構建和生態廊道提取，結合唐山市生態保護修復需要重點、現狀河湖水體及河岸帶的水生態安全、未來發展需求，構建兩級生態廊道體系，以提升生態廊道的連通性。

圖6 生態累積阻力面空間分布Fig.6 Spatial distribution of ecological cumulative resistance surface

圖7 生態廊道概率分布Fig.7 Probability distribution of ecological corridors

圖8 生態廊道提取結果Fig.8 Ecological corridor extraction results

圖9 唐山市生態安全格局Fig.9 Ecological security pattern of Tangshan

該研究構建了唐山生態安全格局，解決了生態源地功能指向現狀而非面向規劃的問題。此外，該研究構建的是陸域生態安全格局，考慮到唐山市沿海的地理位置，應進一步落實陸海統籌，關注沿海濕地、鹽田等生態系統在區域生態安全保障中的重要作用。